超低功耗射频接收机CMOS低噪声放大器和混频器的研究与设计

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近年来,随着无线通信技术的发展和广泛应用,多频段和多标准可重构无线收发机的实现是当今高集成电路技术领域的巨大挑战之一。另外,人们对通信设备的高性能、便携化、低功耗、低成本以及解决方案的要求也越来越高。宽带技术作为带宽达GHz以上的无线通信技术,以高速率、低功耗、多标准等优点,在诸多领域都有着广泛的应用,正在迅速成为学术和产业界关注和研究的热点之一;与此同时,随着深亚微米CMOS工艺的发展,器件性能有了极大的提升,促使单片集成射频系统成为可能。然而,与日益增长的多标准和高指标需求不相符合的是电池技术的发展相对滞后。低噪声放大器(Low Noise Amplifier, LNA)和混频器(Mixer)作为射频接收机的核心模块,其功耗在整个无线通信系统的功耗中占有相当大的比重。因此,在电池续航时间、芯片散热以及封装成本等问题的制约下,为了满足人们对无线通信设备越来越高的要求,研究并设计出超低功耗的高性能低噪声放大器和混频器具有重要的意义。  本文简要介绍了课题的研究背景与意义,分析了低功耗低噪声放大器与混频器的国内外研究现状,并对几种常见的低功耗技术和相应的电路结构存在的优缺点进行了总结。基于以上的工作,论文针对目前射频集成电路发展的趋势和无线通信技术的发展需求,设计了一个应用于宽带无线通信射频接收机前端的低噪声放大器和一个应用于 ZigBee标准的2.4GHz超低功耗下混频器。本文主要工作和成果如下:  (1)提出了一种可工作2.5~11GHz频段的高线性、低功耗宽带低噪声放大器。该电路通过采用折叠型共栅拓扑结构和 LC滤波器来匹配和扩展带宽。此外为了降低漏极跨导的非线性,在折叠共源共栅结构中采用后失真线性技术。后仿结果表明,该 LNA在1.0V电源电压下,在工作频率2.5~11GHz频带内,增益最大为12.8dB,噪声系数为3.2~4.0dB,输入三阶互调截取点(Input3rd Order Intercept Point, IIP3)峰值为5.6dBm,输入反射系数小于-11.0dB,射出反射系数小于-10.0dB,功耗仅为5.4mW。  (2)提出了一种可工作在2.4GHz的超低功耗Gilbert下混频器。该电路基于双平衡吉尔伯特单元电阻负载拓扑结构,通过采用折叠型结构和正向衬底偏置技术,所有 MOS晶体管均偏置工作在亚阈值区,极大地降低 Mixer工作电压实现超低功耗混频器电路。仿真显示,本文提出的混频器在2.4GHz的频率下,本振信号功率为-12.8dBm时,转换增益可达13.7dB,输入三阶互调截取点为-7.8dBm,双边带噪声系数为12.4dB。在1V的工作电压下,电路功耗仅为0.52mW。  本文提出的电路采用Chartered0.18μm CMOS工艺实现,并用ADS与Cadence进行模拟仿真。与近些年来国内外同类电路相比,本文提出的 LNA和Mixer在功耗、增益和线性度方面具有明显的优势。
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